Сотовый поликарбонат - структурные поликарбонатные панели (листы) – (англ. Structured Polycarbonate sheets - SPC) представляют собой полые панели, в которых 2 или более слоев поликарбоната соединены продольными ребрами жесткости (по-английски эти листы иногда называют multi wall – многостеночные). Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получать экструзионным способом листы с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом. Все попытки получить такие же листы из других светопропускающих материалов не увенчались успехом, в частности, при использовании для этих целей гранул полиметилметакрилата (оргстекла) лист с такими тонкими стенками не может сформироваться после выхода из головки экструдера из-за повышенной хрупкости и тут же ломается. Поэтому сотовые листы из оргстекла имеют очень толстые стенки (более 1 мм) – этим обеспечивается прочность листа, но в то же время резко повышается его вес. При использовании полипропилена сотовые листы хорошо получаются, но невозможно добиться их высокой прозрачности из-за особенностей химического строения материала (непрозрачные сотовые листы из полипропропилена – известны на рынке под названием коропласт).
СПК производятся методом экструзии из специальных марок гранулированного поликарбоната, которые производят всего 3 крупных фирмы в мире (не считая мелких японских) – это марки «Lexan» (General Electric Plastics), «Makrolon» (Bayer) и «Calibre» (Dou Chemical Plastics). Все эти три марки поликарбоната по своим техническим характеристикам практически не отличаются друг от друга и одинаково (иногда в смеси) используются разными фирмами, производящими СПК. Отличие СПК различных фирм заключается в использовании различного экструзионного оборудования и добавок, определяющих прозрачность и цветность листов. Еще одно отличие состоит в способе нанесения на рабочую поверхность листа УФ-защитного слоя – соэкструзией или лакированием, однако толщина этого слоя невелика (60-100 микрон) и на основные эксплуатационные характеристики этот фактор практически не влияет. В настоящей статье приведены обобщенные данные для разных марок СПК, которые должны помочь при эксплуатации СПК в рекламной индустрии, в строительстве, в дизайновом оформлении, в личном пользовании, например, на приусадебных участках и в других многочисленных областях применения этого современного, удобного, практичного материала.
Уникальные эксплуатационные характеристики СПК приобрел из-за удачного сочетания двух основных составляющих. Первое – листы изготовлены из гранул поликарбоната, который в настоящее время является самым выдающимся из прозрачных термопластичных полимерных материалов. Поликарбонат по химической структуре представляет собой продукт поликонденсации дифенилолпропана с производными угольной кислоты. Отсюда и само название – все производные угольной кислоты называются карбонатами (всем известная питьевая сода – гидрокарбонат натрия). Благодаря присутствию в составе поликарбоната ароматических составляющих в сочетании с углекислотными остатками он обладает почти абсолютной прозрачностью, чрезвычайной стойкостью к ударным нагрузкам, высокой прочностью на разрыв и изгиб, высокой теплостойкостью, огнестойкостью и термопластичностью. Второе – уникальная технология изготовления СПК на сложных экструзионных линиях, позволяющая получать полые облегченные «многостеночные» листы туннельной структуры, обладающие к тому же всеми «выдающимися» эксплуатационными характеристиками поликарбоната. Дополнительно к ним СПК из-за своей полой структуры имеет высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Основные эксплуатационные характеристики СПК приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики сотового поликарбоната
Толщина панелей (мм) количество слоев | 4 (2) | 6 (2) | 8 (2) | 10 (2) | 16 (3) |
Вес (г/м²) | 800 | 1300 | 1500 | 1700 | 2700 |
Светопропускание (%) | 85 | 82 | 82 | 80 | 76 |
Минимальный радиус изгиба (м) | 0.7 | 1.05 | 1.4 | 1.75 | 2.8 |
Коэфф. теплопередачи К (Вт/м²°С) | 3.97 | 3.6 | 3.2 | 2.8 | 2.3 |
Звукопоглощение (децибелл) | 16 | 18 | 18 | 19 | 21 |
Ударостойкость по Гарднеру (Дж) | 10 | 14 | 30 | 30 | > 40 |
Теплостойкость по Вика (°С) | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 |
Коэфф. линейного расширения (мм/м °;С) | 0.07 | 0.07 | 0.07 | 0.07 | 0.07 |
Ударостойкость по Гарднеру определяется при испытании на ударное воздействие падающих гирь массой 4 кг с высоты 1 метр. Как видно из приведенных данных предельные значения энергии удара для СПК достаточно велики по сравнению, например, с оргстеклом, для которого эта величина не превышает 0,5 Дж). Напомним, что для сплошного оргстекла значение ударной вязкости по Шарпи составляет 15 кДж/м², а сплошной поликарбонат остается без разрушения (невозможно разбить в лабораторных условиях). Эксплуатационные характеристики, приведенные в таблице 1, указывают на высокую теплостойкость СПК. Кроме того, поликарбонат обладает свойством не терять своих высоких прочностных показателей при низких температурах до -50°С. Таким образом, рабочий диапазон температур для СПК составляет от –45°С до +120°ºС.
Одним из наиболее важных вопросов при работе с СПК является монтаж листов в различные конструкционные элементы, используемые в рекламе и строительстве. Всевозможные проблемы, возникающие в этих случаях, связаны с тем, что из-за их малого веса листы СПК могут устанавливаться в конструкции достаточно большой длины до 12м и ширины до 2,1м. При этом часто не учитывается фактор изменения линейных размеров листов при изменении температуры окружающей среды. Практически это выражается в том, что при монтаже не оставляются зазоры между листом СПК и жесткой конструкцией, а при увеличении температуры происходит увеличение линейных размеров листа, он «упирается» в конструкцию и, как следствие, происходит коробление и лист покрывается волнами. Или же в конструкции делается недостаточный напуск на лист - при понижении температуры размер листа уменьшается и он выходит из конструкции. Для правильного расчета монтажной конструкции необходимо знать коэффициент линейного термического расширения материала. Для поликарбоната и СПК эта величина равна 7.10-5 К-1 = 0,00007 м/м.°С = 0,07 мм/м.°С, то есть при изменении температуры на 1ºС каждый линейный метр листа уменьшается или увеличивается во всех направлениях на 0,07 мм. Пример расчета: при монтаже листа СПК в жесткую конструкцию длиной 10 метров и при разнице температур в течение года в средней полосе России 70°С (от -30°С до +40°С) зазор между листом и конструкцией равен 49мм (0,07х10х70 = 49 мм). Минимальный допуск, рекомендуемый для листов СПК, составляет 3,5 мм на каждый метр длины или ширины – расчет проводится исходя из разницы температур 50ºС. Диаметр отверстий под крепежные болты или винты должен быть на 4-6 мм больше, чем сами болты.
Непосредственно перед монтажем листов СПК в соответствующую конструкцию необходимо снять с торцов панели защитную пленку, которая используется только для транспортировки и хранения листов. Вместо нее наклеить на торцы специальную защитную алюминиевую ленту и закрыть «U»-профилем. При использовании СПК в сухих помещениях следует использовать сплошную защитную ленту («Multifoil G 3629», «Celux CA 024 или 025). При возможном образовании внутри панелей водяного конденсата при использовании СПК на улице или в других условиях, когда возможен перепад температур, торцы панелей, обращенные вверх или расположенные горизонтально, закрывают сплошной защитной лентой, а торцы направленные вниз защищают специальной перфорированной алюминиевой лентой («Multifoil AD 3429», «Celux CA 020 или 023») для дренажа образующегося конденсата и для вентиляции каналов в панели.
При монтаже конструкций из листов СПК на открытом пространстве, которые обычно имеют большую площадь, обязательно необходимо учитывать соотношение механической прочности самого СПК и возникающих в данной местности ветровых нагрузок. От величины динамической ветровой нагрузки зависят конструкционные особенности сооружения и толщина используемого СПК.
В таблице 2 указаны наибольшие значения скорости ветра, типичные для европейской территории, и соответствующие величины динамических ветровых нагрузок для конструкций, расположенных на открытом месте. При необходимости расчета с учетом географических районов, наличия редких или обширных насаждений следует обратиться к нормативным документам СНиП 2.01.07-85. В общем случае расчет производиться следующим способом. Динамическая ветровая нагрузка P (кг/м²) рассчитывается по формуле Р = 0,063.V².k, где V (м/с) – скорость ветра и k – аэродинамический коэффициент, который при соотношении высоты сооружения к его ширине меньше 5 равен 1,2. В тех редких случаях, когда соотношение высоты к ширине больше 5, k принимает значение 1,6. В Европе используют значение динамической ветровой нагрузки, выраженной в ньютонах на квадратный метр – в этом случае формула выглядит следующим образом P (Н/м²) = 0,613.V².k (результат умножения коэффициента 0,063 на ускорение силы тяжести 9,81 м/сек²).
Таблица 2. Расчет динамических ветровых нагрузок
Высота над уровнем земли, м | Скорость ветра | Аэродинамический коэффициент | Динамическая ветровая нагрузка | ||
км/ч | м/с | кг/м² | Н/м² | ||
0 - 8 | 103.7 | 28.8 | 1.2 | 62.7 | 610 |
0 - 8 | 103.7 | 28.8 | 1.6 | 83.6 | 813 |
8 - 20 | 128.9 | 35.8 | 1.2 | 96.9 | 943 |
8 - 20 | 128.9 | 35.8 | 1.6 | 129.2 | 1257 |
При монтаже различных конструкций крепление листов СПК возможно несколькими способами:
Для каждого из указанных способов крепления расстояние между крепежными элементами конструкций зависит от величины динамической ветровой нагрузки. Расчеты таких конструкций достаточно сложны и производятся по специальным компьютерным программам. В данной статье все расчеты для стандартных способов крепления листов СПК сведены в несколько таблиц, которыми удобно пользоваться в каждодневной работе сайнмейкеров, строителей и всех других пользователей этого удобного материала.
Крепление с четырех сторон
При креплении листов СПК со всех четырех сторон немаловажным фактором является соотношение ширины (а) проема монтажа и его длины (b). При разных значениях этого соотношения в зависимости от величины ветровой нагрузки и толщины листа СПК расстояние между крепежными элементами по ширине (а) будет изменяться, соответственно, будет изменяться и длина (b). На практике величины ветровых нагрузок не превышают значений 1200 Н/м², толщины используемых для наружных работ листов СПК 6, 8, 10, и 16 мм, а соотношение ширины и длины проема монтажа бывают следующими:
1. а:b= 1:1
2. а:b= 1:1,5
3. а:b= 1:>1,5
В таблице 3 приведены рекомендуемые расчетные значения ширины (а) проема монтажа вдоль ребер жесткости листов СПК при различных соотношениях а:b и различных ветровых нагрузках.
Таблица 3
Толщина (мм) | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 |
6 | 1050 | 920 | 610 | 950 | 850 | 570 | 900 | 780 | 530 | |||
8 | 1250 | 1100 | 720 | 1150 | 1020 | 655 | 1075 | 940 | 610 | 1020 | 900 | 570 |
10 | 1500 | 1150 | 815 | 1375 | 1070 | 730 | 1280 | 950 | 670 | 1215 | 920 | 620 |
16 | 2100 | 1420 | 1100 | 1950 | 1310 | 980 | 1825 | 1210 | 880 | 1725 | 1120 | 810 |
600 | 800 | 1000 | 1200 | |||||||||
Динамическая ветровая нагрузка, Н/м² |
Примеры пользования таблицей:
1. Размер проема конструкции составляет 1100х1650 мм (2.а:b=1,5), динамическая ветровая нагрузка составляет 600 Н/м²; в таблице находим рекомендуемую толщину листа 10 мм.
2. Толщина листа 8 мм, длина проема (b) 1500 мм, ветровая нагрузка 800 Н/м², соотношение а:b=1,5 (2); из таблицы находим расстояние (a) между крепежными элементами конструкции 1020 мм.
При креплении листов СПК с двух сторон вдоль ребер жесткости (без крепления поперек длины проема) рекомендуемая расчетная ширина (а) между крепежными элементами в зависимости от толщины листа и величины динамической ветровой нагрузки представлена в таблице 4.
Таблица 4
Толщина (мм) | Ширина между крепежными элементами (а) | |||||||||||
6 | 570 | 530 | ||||||||||
8 | 655 | 610 | 570 | 535 | ||||||||
10 | 730 | 670 | 620 | 685 | ||||||||
16 | 1100 | 980 | 880 | 810 | ||||||||
600 | 800 | 1000 | 1200 | |||||||||
Динамическая ветровая нагрузка, Н/м² |
При креплении листов СПК поперек ребер жесткости при максимальной ширине листа 2100 мм рекомендуемое расчетное расстояние между крепежными элементами в зависимости от толщины листа и величины динамической ветровой нагрузки представлено в таблице 5.
Таблица 5
Толщина (мм) | Расстояние между крепежными элементами | |||||||||||
6 | 690 | 630 | 590 | 570 | ||||||||
8 | 830 | 760 | 720 | 680 | ||||||||
10 | 1010 | 930 | 875 | 830 | ||||||||
16 | 1450 | 1325 | 1240 | 1180 | ||||||||
600 | 800 | 1000 | 1200 | |||||||||
Динамическая ветровая нагрузка, Н/м² |
При креплении листов СПК в изогнутом состоянии вдоль ребер жесткости расстояние между крепежными элементами рассчитывается исходя из толщины листов (мм), радиуса изгиба (м) и величины динамической ветровой нагрузки (Н/м²). Рекомендуемые расчетные значения ширины закрепления (м) представлены в таблице 6.
Таблица 6
Радиус изгиба листов, м | Ветровая нагрузка | |||||||||||||||||||||||||||
1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 | 1.7 | 1.9 | 2.0 | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 | 2.5 | 2.6 | 2.7 | 2.8 | 3.0 | 3.2 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 4.0 | 4.2 | 4.4 | 4.6 | 4.8 | ||
6 | 2.1 | 1.9 | 1.7 | 1.6 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 0.92 | 0.85 | 0.8 | 0.75 | 0.7 | 0.7 | 600 | |||||||||||||
8 | 2.1 | 2.0 | 1.9 | 1.8 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.1 | 1.0 | 0.97 | 0.92 | 0.86 | 0.83 | ||||||||||||
10 | 2.1 | 2.1 | 2.0 | 1.9 | 1.8 | 1.7 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | ||||||||||||||
16 | 2.1 | 2.1 | 2.0 | 1.9 | 1.8 | 1.7 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | |||||||||||||||||
6 | 1.8 | 1.5 | 1.4 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 800 | ||||||||||||||
8 | 1.8 | 1.7 | 1.6 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | |||||||||||||||
10 | 1.9 | 1.7 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | ||||||||||||||
16 | 1.9 | 1.8 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | ||||||||||||||||||||
6 | 1.5 | 1.3 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 1000 | |||||||||||||||||
8 | 1.7 | 1.4 | 1.3 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | ||||||||||||||||||
10 | 1.5 | 1.4 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.1 | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | ||||||||||||||||||
16 | 1.6 | 1.5 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | ||||||||||||||||||||||
6 | 1.3 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 1200 | ||||||||||||||||||
8 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.7 | 0.7 | ||||||||||||||||||||
10 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | ||||||||||||||||||||
16 | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 |
Представленные в таблицах 3, 4, 5 и 6 данные рассчитывались исходя из коэффициента запаса прочности конструкции равным 1,5. При сооружении сложных промышленных сооружений следует жестко придерживаться рекомендуемых значений. В случае изготовления рекламной продукции неответственного назначения возможна корректировка указанных в таблицах значений длины и ширины закрепления СПК в сторону увеличения расстояния между крепежными элементами (уменьшение коэффициента запаса прочности до 1,1-1,2)
Для средней полосы России немаловажным фактором, влияющим на прочность конструкций из СПК, являются нагрузки снегового покрова на поверхность листов. Такие нагрузки для разных районов варьируются от 60 до 120 кг/м² (~600-1200 Н/м²). В зависимости от величины нагрузки и выбранной толщины листа СПК максимальные допустимые расстояния между элементами крепления листов изменяются по ширине вдоль ребер жесткости листов (А) и по длине поперек ребер жесткости (В). Пример расположения элементов крепления показан на рисунке 1. Сложные компьютерные программы, применяемые для расчетов всех этих величин, можно для простых случаев свести к нескольким уравнениям, по которым легко рассчитать значения А и В (мм). В общем виде эти уравнения можно записать в следующем виде: В = С – kА, где С и k – соответствующие коэффициенты, изменяющиеся при различных значениях снеговых нагрузок и толщины листов СПК. Расчеты выполнены исходя из значения коэффициента запаса прочности конструкции равным 1,5. Результаты расчетов – значения С и k в зависимости от величин снеговых нагрузок и толщины листов СПК представлены в таблице 7.
Таблица 7
Толщина листов СПК (мм) | Снеговая нагрузка, кг/м² | |||||
60 | 90 | 120 | ||||
C | k | C | k | C | k | |
6 | 2450 | 1.55 | 1880 | 1.15 | 1450 | 0.88 |
8 | 2900 | 2.0 | 2550 | 1.9 | 1900 | 1.4 |
10 | 4500 | 3.2 | 3700 | 2.8 | 2600 | 2.0 |
16 | 8500 | 6.5 | 6300 | 5.0 | 4700 | 3.8 |
Практические расчеты следует начинать со значения ширины (А) между крепежными элементами (обрешеткой) А>400-600 мм, так как реальные расстояния по ширине всегда больше.
Пример 1. Снеговая нагрузка 60 кг/м², толщина листа СПК 10 мм. Из таблицы 6 находим значения С = 4500 мм и k = 3,2. Получаем общее уравнение В = 4500 – 3,2А. При значении А = 600 мм рассчитываем значение В = 2580 мм. При значении А = 1000 мм получаем значение В = 1300 мм.
Пример 2. Снеговая нагрузка 90 кг/м², толщина листа СПК 16 мм. Из таблицы 6 находим значение С = 6300 мм и k = 5,0. Получаем уравнение В = 6300 – 5,0А. При значении А = 800 мм рассчитываем значение В = 2300 мм. В случае монтажа неответственных конструкций коэффициент запаса прочности можно снизить до 1,2. В этом случае отношение коэффициентов будет 1,5/1,2=1,25. Умножаем значения ширины и длины закрепления на 1,25 и получаем А = 1000 мм и В = 2875 мм.
При монтаже конструкций из СПК уклон для слива дождевой воды должен составлять не менее 5° (9 см на 1 метр длины листа).